施用改良劑對植煙土壤酶活性和養(yǎng)分含量的影響

鄧小華，楊哲宇，李玉輝，劉勇軍*，張明發(fā)，周米良，張 瑤，李源環(huán)

1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙市芙蓉區(qū)農(nóng)大路1號 410128

2.湖南省煙草公司，長沙市芙蓉南路一段628號 410004

3.湖南省煙草公司湘西自治州公司，湖南省吉首市人民南路118號 416000

我國主要煙區(qū)有21%的植煙土壤處于酸化狀態(tài)，其中約有2.4%為極酸性土壤（pH<4.5），18.6%為酸性土壤（pH 4.5～5.5）［1］。由于烤煙種植中大量肥料施入以及連作，導(dǎo)致植煙土壤酸化趨勢加重，已成為制約優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的障礙因子之一［1-2］。土壤酸化不僅會(huì)引起土壤養(yǎng)分流失，土壤理化性質(zhì)惡化，還會(huì)使鋁離子和重金屬活度提高，土壤微生物活性降低，影響根系的生長發(fā)育和對養(yǎng)分的吸收［2-4］。于寧等［5］研究認(rèn)為，施用適量的石灰可以使連作煙田的土壤酸化現(xiàn)象得到明顯改善，并使土壤的轉(zhuǎn)化酶、脲酶、中性磷酸酶和過氧化氫酶活性得到不同程度的恢復(fù)；李兆林等［6］在酸性土壤上施用生石灰的研究表明，各生育期內(nèi)大豆中酸性磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性隨土壤酸性減弱而受到抑制，而脲酶和過氧化氫酶活性卻增強(qiáng)；胡敏等［7］研究表明，生石灰的施入可顯著提高土壤pH，改善土壤酸度；舒秀麗等［8］研究認(rèn)為，施加熟石灰處理可使土壤微生物主要類群數(shù)量顯著減少，土壤pH顯著升高，并對土壤脲酶活性有明顯抑制作用；邢世和等［9］提出，施用不同組合改良劑能增強(qiáng)過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶及纖維素酶活性；朱克亞等［10］認(rèn)為，施用農(nóng)林廢棄物制成的改良劑明顯改善了煙田土壤物理性狀；潘金華等［11］試驗(yàn)表明，在黔西北植煙土壤中施用土壤改良劑可以促進(jìn)土壤有機(jī)氮的礦化以及硝化作用，達(dá)到提高黔西北土壤氮素有效利用率及改善土壤肥力的目標(biāo)?？梢姡煌芯空卟捎玫牟牧喜煌?，土壤改良劑對土壤酶活性和養(yǎng)分的修復(fù)效果也存在差異；同時(shí)，有關(guān)施用酸性土壤改良劑后植煙土壤酶活性和養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化的研究報(bào)道較少。鑒于此，采用盆栽試驗(yàn)方法探討石灰、豐收延和金葉酸性土壤改良劑對酸性植煙土壤酶活性和主要養(yǎng)分含量的影響，以期為酸性植煙土壤改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2017年在湖南省花垣縣（28°31′35″N，109°27′4″E）進(jìn)行。平均海拔530.0 m，年平均氣溫15.0℃，年降雨量1 363.8 mm，無霜期279.0 d，年日照時(shí)數(shù)1 219.2 h，屬亞熱帶季風(fēng)山地濕潤氣候區(qū)［12］。試驗(yàn)地土壤類型為黃紅壤，土壤pH 5.07，有機(jī)質(zhì) 23.42 g/kg，堿解氮75.67 mg/kg，有效磷12.74 mg/kg，速效鉀122.68 mg/kg?？緹熎贩N為云煙87；石灰（主要成分為CaO）為當(dāng)?shù)厥惺?；豐收延酸性土壤調(diào)理劑（主要成分為CaO、MgO和SiO2）由西部環(huán)保有限公司生產(chǎn)，金葉酸性土壤改良劑（主要成分為CaO和MgO）由湖南金葉眾望肥料有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理。T1為豐收延酸性土壤調(diào)理劑，用量為1 125 kg/hm2；T2為金葉酸性土壤改良劑，用量為1 125 kg/hm2；T3為石灰，用量為2 250 kg/hm2；CK為常規(guī)栽培，不施改良劑。采用田間盆栽試驗(yàn)，豐收延酸性土壤調(diào)理劑、金葉酸性土壤改良劑、石灰用量分別為6.5、6.5和13.0 g/盆?？緹熓┑?09.5 kg/hm2，氮磷鉀比例為1∶1.27∶2.73，各處理氮磷鉀肥含量保持一致。將盆栽試驗(yàn)土壤與改良劑以及其他基肥充分混勻，用高度、上口和下口分別為26、40和20 cm的塑料盆裝入土壤13 kg，并將孔徑為48 μm的尼龍布墊于底部，然后將塑料盆埋入土中起壟，盆口與壟面平齊。設(shè)置3次重復(fù)，每次重復(fù)栽煙10株，烤煙種植密度為16 650株/hm2（1.20 m×0.5 m），四周設(shè)置保護(hù)行。其他栽培管理措施按湘西優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程進(jìn)行。

1.3 檢測指標(biāo)及方法

于烤煙移栽后30、60、90和120 d（終采期）在每盆選擇3個(gè)點(diǎn)，采集0～20 cm耕作層土壤，制成混合土樣。土壤pH測定結(jié)果見表1。土壤蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶和過氧化氫酶活性分別采用Na2S2O3滴定法、靛酚藍(lán)比色法、磷酸苯二鈉比色法和KMnO4滴定法測定［13］。土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、堿解氮（AN）、速效磷（AP）、速效鉀（AK）含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別采用重鉻酸鉀容量法、堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、醋酸銨浸提-火焰光度法測定［14］。

表1 不同改良劑處理后的土壤pHTab.1 Soil pH after applying different amendments

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010及SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，新復(fù)極差法進(jìn)行數(shù)據(jù)間差異的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良劑對土壤酶活性的影響

2.1.1 對土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶是土壤氮素循環(huán)中唯一作用于尿素的土壤水解酶類，能直接將酰胺態(tài)有機(jī)氮化物水解轉(zhuǎn)化為供烤煙吸收利用的無機(jī)態(tài)氮化物，其活性高低能在一定程度上反映土壤的供氮能力與水平［15］。由圖1可知，烤煙整個(gè)大田期的脲酶活性呈現(xiàn)“低—高—低”的態(tài)勢，這與烤煙的需肥規(guī)律一致。在移栽后30 d，不同處理的脲酶活性差異不顯著；在移栽后60～120 d，T1、T2和T3的土壤脲酶活性顯著高于CK，以T3的土壤脲酶活性最高。移栽后120 d，施用改良劑處理的土壤脲酶活性較CK提高28.89%～33.39%。表明施用土壤改良劑提高了土壤脲酶活性，加速了土壤有機(jī)氮礦化［11］，可促進(jìn)有機(jī)氮向無機(jī)氮的轉(zhuǎn)化［11］，有利于烤煙吸收和利用土壤氮素，防止烤煙早衰。從不同改良劑來看，以施用石灰提高土壤脲酶活性的效果最好。

圖1 不同改良劑對土壤脲酶活性的影響Fig.1 Effects of different amendments on urease activity in soils

2.1.2 對土壤中性磷酸酶活性的影響

土壤磷酸酶是土壤中磷素循環(huán)的重要水解酶類，可用作土壤磷素生物轉(zhuǎn)化方向與強(qiáng)度的評價(jià)指標(biāo)，其活性高低可反映土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性［13］。由圖2可知，烤煙整個(gè)大田期的中性磷酸酶活性呈增高趨勢。在移栽后30～60 d，不同處理的中性磷酸酶活性差異不顯著；在移栽后90～120 d，T1、T2和T3處理的土壤中性磷酸酶活性顯著高于CK，以T3處理的土壤中性磷酸酶活性最高。移栽后120 d，施用改良劑處理的土壤中性磷酸酶活性較CK提高9.61%～18.03%?？梢?，施用改良劑提高了土壤pH，土壤微生物數(shù)量明顯增多［9］，土壤中性磷酸酶活性增強(qiáng)，有利于煙草吸收和利用土壤中的磷，滿足生長發(fā)育的需要。

圖2 不同改良劑對土壤中性磷酸酶活性的影響Fig.2 Effects of different amendments on neutral phosphatase activity in soils

2.1.3 對土壤過氧化氫酶活性的影響

土壤過氧化氫酶是廣泛存在于土壤中的氧化還原酶類，在土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)換中占有重要地位。過氧化氫酶直接參與生物呼吸過程的物質(zhì)代謝和土壤氧化過程，其活性影響土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化，可以用來表征土壤腐殖化強(qiáng)度大小和有機(jī)質(zhì)的積累程度［13］。由圖3可知，從移栽30～120 d，土壤過氧化氫酶活性逐漸增強(qiáng)，這可能與土壤溫度提高有關(guān)。在移栽后30 d，T3處理的土壤過氧化氫酶活性顯著高于T1、T2和CK；在移栽后60～120 d，T1、T2和T3處理的土壤過氧化氫酶活性顯著高于CK，以T3處理的土壤過氧化氫酶活性最高。移栽后120 d，施用改良劑處理的土壤過氧化氫酶活性較CK提高9.14%～16.17%。表明施用改良劑可控制土壤的酸化過程，提高土壤過氧化氫酶活性，加快土壤腐殖化。從不同改良劑來看，以施用石灰提高土壤過氧化氫酶活性的效果最好。

圖3 不同改良劑對土壤過氧化氫酶活性的影響Fig.3 Effects of different amendments on catalase activity in soils

2.1.4 對土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶是土壤生物活性的重要酶類，對增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)起重要作用，是表征土壤中碳的轉(zhuǎn)化與呼吸強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一，其活性強(qiáng)弱反映了土壤熟化程度和肥力水平［13］。由圖4可知，烤煙整個(gè)大田期的蔗糖酶活性呈“低—高—低”的態(tài)勢，與脲酶活性的變化趨勢一致。在移栽后30～120 d，T1、T2和T3處理的土壤蔗糖酶活性顯著高于CK。不同土壤改良劑之間的土壤蔗糖酶活性在移栽后30～90 d，以施用石灰（T3）處理最高；在移栽后120 d，以施用金葉酸性土壤改良劑（T2）的處理最高；但施用改良劑處理間的差異不顯著。移栽后120 d，施用改良劑處理的土壤蔗糖酶活性較CK提高18.27%～32.74%?？梢姡┯盟嵝酝寥栏牧紕┛商岣咄寥勒崽敲富钚院屯寥婪柿Γ?3］。

圖4 不同改良劑對土壤蔗糖酶活性的影響Fig.4 Effects of different amendments on invertase activity in soils

2.2 不同改良劑對土壤養(yǎng)分的影響

2.2.1 對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

在烤煙種植過程中，土壤中的有機(jī)質(zhì)主要來自種植前土壤有機(jī)質(zhì)、施用有機(jī)肥、植物殘茬腐解等［1-2］。由圖5可知，在烤煙移栽后30～120 d ，T1和T2處理的土壤有機(jī)質(zhì)顯著高于T3和CK。CK的有機(jī)質(zhì)在30和60 d略高于土壤有機(jī)質(zhì)背景值，與施用有機(jī)肥有關(guān)；移栽后90和120 d的土壤有機(jī)質(zhì)低于土壤有機(jī)質(zhì)背景值，主要是由于烤煙吸收和部分礦化損失所導(dǎo)致。T3處理的土壤pH調(diào)節(jié)至適宜范圍有利于土壤微生物對有機(jī)質(zhì)的分解，但也加劇了土壤有機(jī)質(zhì)礦化［16］，致使有機(jī)質(zhì)與CK間差異不顯著。T1和T2處理的土壤pH適宜，有利于提高土壤微生物活性和有機(jī)質(zhì)形成，其有機(jī)質(zhì)礦化損失少，土壤有機(jī)質(zhì)高于土壤有機(jī)質(zhì)背景值，也顯著高于T3處理。移栽后120 d，T1和T2處理的土壤有機(jī)質(zhì)較背景值高12.17%～18.27%，但T3和CK處理的土壤有機(jī)質(zhì)較背景值略低?？梢姡┯秘S收延酸性土壤調(diào)理劑和金葉酸性土壤改良劑有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。

圖5 不同改良劑對土壤有機(jī)質(zhì)的影響Fig.5 Effects of different amendments on organic matters in soils

2.2.2 對土壤堿解氮的影響

由圖6可知，在烤煙移栽后60～120 d，T1、T2和T3處理的土壤堿解氮顯著高于CK，T1、T2和T3處理的土壤堿解氮差異不顯著，各處理土壤堿解氮含量表現(xiàn)為“高—低—高”的動(dòng)態(tài)變化趨勢。但在烤煙移栽后30 d，不同處理的土壤堿解氮差異顯著，以T2處理的土壤堿解氮最高，其次是T3和CK，T1處理的土壤堿解氮含量最低。烤煙氮肥的施用主要在大田前期，烤煙移栽后30和60 d土壤堿解氮含量高，移栽后90 d土壤堿解氮含量低，與烤煙對氮素養(yǎng)分的需求規(guī)律一致；烤煙移栽后120 d的土壤堿解氮再次提高，與土壤的有機(jī)質(zhì)礦化釋放氮素有關(guān)。T1、T2、T3和CK的土壤堿解氮在整個(gè)烤煙大田期顯著高于土壤背景值，特別是在移栽后120 d的土壤堿解氮較背景值提高30.29%～63.77%，說明種植烤煙的土壤殘留氮素較多，這與烤煙施氮量較高有關(guān)?？梢姡┯酶牧紕┨岣吡送寥纏H，使土壤酶活性增強(qiáng)，可促進(jìn)植煙土壤氮素有效化。

圖6 不同改良劑對土壤堿解氮的影響Fig.6 Effects of different amendments on alkaline nitrogen in soils

2.2.3 對有效磷的影響

由圖7可見，烤煙移栽后30～120 d，T1、T2和T3處理的土壤有效磷逐漸升高。但CK的土壤有效磷是呈“高—低—高”的趨勢。這可能與烤煙生長中期的根系分泌酸性物質(zhì)導(dǎo)致根區(qū)土壤pH降低，從而增加了土壤對磷的固定有關(guān)。與土壤背景值比較，T1、T2、T3和CK處理的土壤有效磷均高于背景值，特別是至移栽后120 d的土壤有效磷較背景值高123.60%～249.89%；表明烤煙種植過程中施用磷肥量較大，導(dǎo)致土壤殘留磷素較多。在烤煙移栽后30 d，T1、T2和CK處理的土壤有效磷顯著高于T3處理；移栽后60 d，T1和T2處理的土壤有效磷顯著高于T3和CK處理；至移栽后90和120 d，T1、T2和T3處理的土壤有效磷顯著高于CK?？梢姡┯盟嵝酝寥栏牧紕┖笸寥纏H趨于中性，可以減少土壤對磷素的吸附固定［17］；加之施用改良劑后土壤磷酸酶活性增強(qiáng)，促進(jìn)了磷素的礦化作用，也促進(jìn)了有機(jī)磷轉(zhuǎn)為有效態(tài)磷，從而提高土壤磷的有效性。

圖7 不同改良劑對土壤有效磷的影響Fig.7 Effects of different amendments on available phosphorus in soils

2.2.4 對土壤速效鉀的影響

由圖8可知，烤煙移栽后30～120 d，T2和T3處理的土壤速效鉀呈“高—低—高”的趨勢；T1和CK處理的土壤速效鉀逐漸升高；在烤煙移栽后30 d，T1中堿性礦渣的吸附及CK中土壤pH呈酸性，致使T2和T3處理的土壤速效鉀含量高于T1和CK處理。與土壤背景值比較，T1、T2、T3和CK的土壤速效鉀均高于背景值，特別是移栽后120 d的土壤速效鉀較背景值提高145.61%～256.38%；表明烤煙種植過程中施用鉀肥量較大，導(dǎo)致土壤殘留鉀素較多。在烤煙移栽后30 d，T2和T3的土壤速效鉀顯著高于CK；移栽后60～120 d，T1、T2和T3的土壤速效鉀顯著低于CK。表明施用土壤改良劑后，土壤中速效鉀含量降低，可能與改良劑施用量較大有關(guān)。為提高土壤pH至適宜范圍，加大了改良劑用量，而改良劑中一般含有較多的Ca2+，這些外來加入的Ca2+導(dǎo)致土壤中K/Ca比例失調(diào)，增加土壤對鉀的固定［7］，降低了土壤中速效鉀含量。但這部分被固定的鉀屬于緩效性鉀，在一定條件下可轉(zhuǎn)化為速效鉀供植物吸收利用［18］。

圖8 不同改良劑對土壤速效鉀的影響Fig.8 Effects of different amendments on available potassium in soils

3 討論

土壤酶在土壤物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)化中起著重要的催化作用［19］。土壤酶對pH變化敏感，和文祥等［20］、Frankenberger等［21］研究發(fā)現(xiàn)，土壤脲酶的兩個(gè)最適pH為 6.5～7.0或8.8～9.0，土壤中性磷酸酶最適pH為 6.0～7.0；徐光澤等［22］發(fā)現(xiàn)施用生石灰后烤煙根際土壤脫氫酶、過氧化物酶、脲酶活性顯著提高。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用酸性土壤改良劑可提高烤煙生育期（30～120 d）土壤脲酶、中性磷酸酶、過氧化氫酶及蔗糖酶活性，與上述研究結(jié)果一致。表明施用酸性土壤改良劑，提高了土壤pH，對提高土壤酶活性有較好的效果。

施用豐收延和金葉酸性土壤改良劑可提高烤煙生育期（移栽后30～120 d）土壤有機(jī)質(zhì)含量，施用石灰提高土壤有機(jī)質(zhì)含量較CK差異較小，至終采期（移栽后120 d）甚至低于CK，這主要與石灰可加速有機(jī)質(zhì)礦化有關(guān)。

土壤酸堿度影響土壤養(yǎng)分有效性。施用土壤改良劑可調(diào)節(jié)酸性植煙土壤pH至適宜范圍（5.5～7.0）［23］，加速土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化，提高土壤堿解氮含量［11］，減少土壤對磷的吸附固定，提高土壤有效磷含量［17］。本研究結(jié)果也表明，不同酸性土壤改良劑可顯著提高烤煙（移栽后60～120 d）土壤堿解氮、速效磷含量，但移栽前期（移栽后30 d）施用豐收延酸性土壤改良劑及石灰對土壤堿解氮有抑制作用，這可能與這一時(shí)期土壤pH急劇升高，土壤酶活性受到抑制有關(guān)。

本研究還表明，施用不同土壤改良劑后土壤速效鉀含量降低，這與胡敏等［7］、張效樸等［24］研究結(jié)論一致。施用土壤改良劑導(dǎo)致土壤有效鉀含量降低，是因?yàn)橥寥栏牧紕┑闹饕煞质荂aO，可以使固鉀礦物層間“晶穴”中的H3+O或鋁化合物從層間移出，提高土壤的固鉀容量，降低土壤中水溶性鉀和交換性鉀含量［18］。因此，為快速修復(fù)酸性土壤，增加土壤改良劑施用量，有可能會(huì)影響烤煙對土壤鉀的吸收，這是酸性植煙土壤修復(fù)中需要注意的問題。

酸性土壤改良劑中起作用的主要成分為CaO。豐收延和金葉土壤調(diào)理劑中CaO比例為40%～60%，豐收延和金葉土壤調(diào)理劑的施用成本為1 500～2 000元/hm2，而石灰（主要成分CaO）施用成本僅為500～1 000元/hm2。石灰的用量雖增加了1倍，但其成本遠(yuǎn)低于豐收延和金葉土壤調(diào)理劑。因此，生產(chǎn)上對酸性土壤的改良以石灰較好，但還要依據(jù)土壤酸性程度和作物種類等科學(xué)選擇。

4 結(jié)論

在湖南省花垣縣的盆栽試驗(yàn)表明：施用酸性土壤改良劑可提高土壤酶活性，但不同土壤酶活性在烤煙大田中的動(dòng)態(tài)變化不一致?？緹熞圃院?0～120 d，土壤脲酶和蔗糖酶活性呈“低—高—低”的變化趨勢，土壤中性磷酸酶及過氧化氫酶活性呈逐漸增強(qiáng)的趨勢；移栽后120 d，土壤脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶和過氧化氫酶較對照分別提高28.89%～33.39%、18.27%～32.74%、9.61%～18.03%和9.14%～16.17%。不同土壤改良劑對土壤養(yǎng)分含量影響效果不同，施用豐收延和金葉酸性土壤改良劑可提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷含量；施用石灰可提高土壤堿解氮和有效磷含量；施用金葉酸性土壤改良劑降低土壤速效鉀的有效性。對酸性（pH<5.5）植煙土壤的修復(fù)，施用石灰的效果最好。